寒冷地區農村住宅建筑被動式節能設計策略

姚文勝 墨天華 劉旭梅 李靖軒

（河北建筑工程學院 河北張家口 075000）

引言

被動式建筑節能設計是通過非主動式機械耗能手段來降低建筑能耗的，具體體現在建筑方案設計中通過調節建筑的朝向、建筑外圍護結構的保溫隔熱技術等；當周圍環境比較寒冷時，被動式節能建筑不需要應用采暖設施，也能依靠建筑本身的維護結構使得室內保持一個相對適宜的溫度。相比于主動式采暖建筑，此類建筑具有能耗低、一體化、保溫隔熱性能比較強的特點。寒冷地區農村住宅是能耗大戶，因此發展寒冷地區農村住宅被動式節能建筑對于當今面臨的資源短缺和環境污染問題具有重要的現實意義，是提高環境質量，實現人與自然和諧相處的重要手段。

1 寒冷地區農村住宅能耗調研

壩上地區是內蒙古高原南端與華北平原北部相交的地方，地勢陡然升高，成階梯狀，故名“壩上”。海拔 1500～2100m，年平均氣溫 1.4～5℃，位處平原地帶，稍丘陵，草原面積大，多內陸湖淖。地處高原，草原遼闊，太陽能豐富，壩上地區農村冬季采暖期較長，住宅采暖主要依靠常規取暖能源煤炭，采用農作物秸稈的柴薪作為輔助燃料，能源使用比較單一，能源利用率不高，常常會造成較大的資源浪費和環境損害，房屋墻體不保溫，氣密性較差，冬季冷風滲透嚴重，室內只有幾攝氏度、外圍護結構多用240mm或者370mm的實心磚墻砌筑，且無外保溫結構，造成的熱損失巨大，缺乏行之有效的供暖方針。

2 住宅建筑被動式節能設計策略

被動式節能住宅面臨的主要問題便是冬季采暖，其節能設計的核心便在于如何盡最大可能來地降低建筑的熱量損耗，以維持建筑內部的熱環境，其關鍵技術措施主要有以下幾點：

2.1 增強圍護結構保溫性能

2.1.1 墻體保溫措施

外墻結構占據建筑本身全部外圍護結構的60%及以上，其能耗也接近建筑整體的半壁江山；外墻體的保溫節能設計，在于如何控制保溫隔熱系數，將保溫層布置在墻體結構的外側，可以形成整體建筑結構的有效保溫層，能夠降低外界環境如溫、濕度等對建筑本身采暖上的影響，從而降低熱橋現象的發生幾率，以此提高墻體的保溫性能，也可設置防水隔汽膜和防水透氣膜以防止冷凝受潮來保護保溫層；此外墻體的所有材料都必須具備良好的保溫性能，如苯板、金屬夾芯板、聚碳酸酯及酚醛等，針對住宅建筑本身的縫隙，則應該做好特殊部位特殊加強處理，從而有效避免熱橋現象的出現。

2.1.2 門窗保溫措施

玻璃是建筑物室內外熱交換最為活躍的部位，一些比較寒冷的地區其窗耗熱量在建筑總能耗的50%，在“被動式建筑”設計中，南立面要盡量利用窗戶和透明構件，盡量多的接受太陽輻射熱，北立面的窗戶或者透明維護構件要盡量減少，以降低窗墻比；Low-E中空玻璃這種高性能玻璃，空氣層寬度為12mm，其傳熱系數約為1.6W/（m2·K），是同等厚度的普通雙層中空玻璃的一半，因此，在農村住宅建筑中，采用高性能玻璃能夠有效地降低建筑室內外的熱傳導效應。同時也可在玻璃的空氣層中充入惰性氣體來降低空氣層傳導、對流傳熱損失；除了玻璃的節能外，建筑的窗框也是能耗損失的重要部分。“被動式建筑”的窗戶窗框的傳熱系數是普通窗框的1/2左右，被動式窗框的平均傳熱系數為0.8，一般木質窗框的傳熱系數為1.9，一般塑鋼窗框的傳熱系數為2.5。所以熱工性能良好的窗戶必須要有良好保濕性能的窗框；條件好的住戶也可采用更為先進的帶真空的高效保溫節能窗。

如果熱橋部位熱傳導能力過強，在損失大量熱量的同時，還會伴隨著造成局部發霉、結露。窗洞口與窗框的連接處也比較容易形成熱橋，窗戶結合外墻設計采用斷橋鋁合金窗框加中空玻璃，重點加強窗洞口與窗框在連接處斷橋的節點處理，可以通過提升窗戶的制作安裝精度和安裝窗戶密封條等方法，使門窗的氣密性得到盡可能的提高，以降低室內外冷空氣的對流滲透程度。

2.1.3 屋面保溫措施

倒置式屋面的設計方法具有很好的節能效果。以擠塑板為保溫材料，將其置于屋面防水層之上，采用粘貼或干鋪的方式施工，表面直接澆筑混凝土或采用卵石做保護，具有高效節能、安全可靠的優點；倒置式屋面方法的采用，使屋頂面層結構防水層免受溫度變化差異、紫外線和外界撞擊的破壞，將建筑屋面構造中保溫層與防水層倒置，將防水層置于保溫層的下部，這就要求保溫層的材料具有一定的憎水性，此舉在降低造價同時，而且還會防止防水層面因受熱干擾而導致變形，從而延長防水層的使用時間。同時這是一種保護防水層的理想屋面保溫系統，屋面平均傳熱系數為0.7W/（m2·K）。

2.2 采用合理的建筑布局

2.2.1 優化建筑體型系數

體形系數是影響住宅建筑節能的首要因素，節能設計的第一步便是選擇適宜的建筑體形系數，建筑外表接觸面積會隨著體形系數的減小而變小，通過查閱相關系數資料規范可得，當體型系數每增加1%，就會增加2.5%的建筑熱能耗指標；夏季制冷耗能以及冬季制熱耗能越小，就說明住宅越節能。壩上地區農村住宅建筑體型系數應該小于0.3，建筑形體應做到形態簡單，避免較多的裝飾凹凸，有利于建筑節能；同時為了減少寒冷季節北風的直接影響，北墻應較為封閉，南墻可適當的做開敞處理；也可利用門斗、中庭等過渡空間可以進行溫度調節中和，從而降低建筑外圍護結構的傳熱損失。在建筑設計初期階段需要采用“切薄”的建筑體塊處理手法，要始終控制農村住宅建筑的進深深度不超過15m。超過15m的空間，即使使用雙面開窗通風策略也不能有效的使室內外的通風得到很好的改善。

但是也不能過分追求建筑本身體形系數，當與建筑功能發生矛盾沖突時，設計者應該在兼顧體形系數達到節能標準的情況下，采用其他的節能方法來降低建筑本身的能耗。

2.2.2 改善建筑自然通風

自然通風是夏季制冷的有效辦法，設計根據壩上地區的風向、風速，最大可能地組織夏季自然風、穿堂風，另外，門窗的朝向應盡可能的避開寒冷季節的主導風向，即使避免不了，也應當在北向設置一個門斗，形成空氣緩沖區域，以此提高建筑本身的保溫性能。設計者也應結合場地冬、夏季自然風的風向來進行方案平面設計，通過最有利的主導風向，建筑物的迎風面與背風面會因此形成一定的風壓差，促使建筑自然通風。此外，還可以再根據立面上的的風壓分布情況，來進行適宜的平面布局設計。

組織通風也可利用豎井進行調節，利用煙囪本身具有的拔風作用來進行有組織通風。豎井設置玻璃天窗，當太陽輻射到玻璃天窗上，會促使豎井內的溫度升高，導致熱空氣的密度降低而上升，在熱壓的作用下發生空氣流動，進風口是建筑的門窗，因為門窗與玻璃天窗之間存在高度差，高度差會產生風壓，因此在風壓、熱壓的耦合作用下，便會促使自然通風的流動。

3 結語

處于不同氣候環境下的被動式住宅設計，其核心目的是相同的，但是細節上需要根據實際情況進行改動。被動式建筑節能設計是方法而不是建筑風格；歐洲地區關于被動式建筑設計有較多可供借鑒的地方，尤其是用于外墻保溫，窗戶結構和通風上，但是只單純復制這些到完全不同的氣候條件下是行不通的，因為每個國家都有自己獨特的建筑風格，每個地區都有自己獨特的氣候特點。因此，被動房的具體解決方案必須是建立在國家和氣候上的思考，不僅在被動式技術上與本土的風蘊相結合；創造被動式建筑的獨特特色，才使被動式建筑走得更遠。資金來源：2018年大學生創新創業訓練計劃項目“寒冷地區節能綠色建筑創新探析”（201810084021）。